Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 33

Main page / Генетика XXII века / БИОХИМИЯ. АМИНОКИСЛОТЫ. БЕЛКИ / Энтальпия. Экзо- и эндотермические реакции. Белки комплемента. Опсонизация. Янтарная кислота.

Содержание

    В клетках постоянно происходят химические реакции, и для того, чтобы лучше понимать — что и почему и с чем там реагирует и (главное) зачем все это надо, необходимо разобраться в некоторых довольно сложных понятиях, балансирующих на стыке физики, химии и биологии, и сейчас мы попробуем разобраться в том – что такое энтальпия, без которой не обходится ни один современный учебник по биохимии.

    Если избегать погружения в термодинамику, то энтальпия — это та энергия вещества, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении. То есть она как-то запасена в веществе, находящемся при этих температуре и давлении, и может выделиться в виде тепла.

    Само по себе понятие энтальпии редко используется в биохимии, а главный параметр, который нам обычно необходим — это изменение энтальпии (ΔН) (произносится как «дэльта аш»). Так называют или то тепло, которое подвели к системе при постоянном давлении (и тогда говорят, что в системе увеличилось количество энтальпии), или то тепло, которое по каким-то причинам из системы выделилось без изменения давления (тогда количество энтальпии системы уменьшилось).

    Ввели это понятие из-за того, что множество химических процессов в реальных или лабораторных условиях протекают именно при постоянном (атмосферном) давлении, причем они не изолированы от окружающей среды, и могут с ней чем-то обмениваться. И, например, энтальпией образования вещества называют количество энергии, которое выделяется или поглощается при образовании сложного вещества из простых веществ.

    Вообще все химические реакции сопровождаются либо выделением тепла (их называют экзотермическими), либо поглощением тепла (эндотермические). Энергетической мерой реакции и служит ΔН, которая соответствует теплообмену системы с окружающей средой при постоянном давлении. В случае экзотермических реакций система теряет тепло, выделяя его, и ΔН в этом случае будет отрицательной величиной. В случае эндотермических реакций система, наоборот, поглощает тепло, и ΔН будет положительной величиной.

    Если про химическую реакцию написано, что она экзотермическая, то это значит, что при ее протекании будет выделяться тепло. Например, если стружку натрия бросить в воду, то выделится так много тепла, что воздух начнет светиться и вообще реакция будет очень бурной. Такие реакции МОГУТ (!) протекать самостоятельно в природе, без того, чтобы затрачивать на совершение этих реакций какую-то энергию.

    Почему так важно то, что они не просто «протекают самостоятельно», а вот именно «могут» это сделать? Потому, что чаще всего для начала реакции все-таки необходим стартовый пинок. Например, дерево отлично горит в воздухе, содержащем кислород, и выделяет много тепла, но оно само по себе не загорится, пока не получит какой-то стимул извне (например, начальное повышение температуры), а дальше уже начнет выделяться гораздо больше тепла, чем было приложено вначале, и реакция станет самоподдерживающейся и резко экзотермической.

    Эндотермические реакции можно пинать и пинать, но происходить они будут только тогда, когда количество прикладываемой энергии превысит тот объем энергии, который необходимо добавить в систему, чтобы реакция завершилась. Сами по себе такие реакции протекать не будут после того, как получен некий изначальный приток энергии, и им обязательно нужен постоянный приток энергии извне.

    Прежде мы рассматривали отдельные белки, или их семейства, а теперь попробуем рассмотреть на одном примере ситуацию, в которой разные белки работают друг с другом, как музыканты в оркестре, чтобы в итоге могли выполняться важные для организма функции.

    Система комплемента – это совокупность сложных белков, которые постоянно присутствуют в нашей крови, чтобы защищать нас от патогенов. Эта система – часть общей системы иммунитета нашего организма. Мы пока что вынуждены будем опустить физиологические аспекты работы этой системы, и сконцентрируемся на ее биохимических аспектах.

    Всего в системе комплемента принимает участие около 20 белков. Все они, конечно же, хорошо растворимы в воде, иначе они не могли бы эффективно работать в нашей крови, наполовину состоящей из воды. До тех пор, пока не поступает сигнала для их активации, они просто плавают, растворенные в крови, и ничего существенного с ними не происходит.

    Компоненты комплемента обозначают латинскими буквами C, B и D. При этом у каждой из них есть несколько разновидностей, и для указания разновидности мы используем добавление цифры. Каждый белок той или иной разновидности комплемента может разбиваться на несколько кусков, если подвергнуть его нужному воздействию, и поэтому получившиеся куски мы обозначаем дополнительными строчными латинскими буквами. Получаются такие обозначения молекул как С3b, Bb и т.д.

    Из всех белков системы комплемента в сыворотке крови больше всего C3 – его там до 70%, ну и поскольку С3 так много, то понятно, что и синтезируется он в разных местах: в печени, в макрофагах, в фибробластах, в лимфоидных клетках и в коже.

    Когда в кровь проникают патогены, или когда поступает сигнал об активации, белки комплемента активируются. Активация может происходить по трём путям: альтернативному, классическому и лектиновому. Мы здесь рассмотрим только самый важный — альтернативный путь активации.

    Выше было сказано, что пока не поступает сигнала для активации белков комплемента, они просто плавают, растворенные в крови, и ничего существенного с ними не происходит. Но все-таки кое-что происходит постоянно: иногда навстречу С3 попадаются разные небольшие молекулы, которые провоцируют ее распад на две части. Поэтому в спокойном состоянии, даже при отсутствии патогенов, в крови всегда имеется небольшой уровень спонтанного расщепления C3 с образованием маленького C3a (он в самом деле очень маленький и состоит всего лишь из 5 аминокислотных остатков: His-Leu-Gly-Leu-Ala) и большого куска C3b. Вообще говоря, распад С3 на эти две части является его активацией, потому что получившиеся C3a и C3b очень и очень активны, и они выполняют важную работу, которая описана ниже. Так что можно сказать, что в спокойном состоянии имеет место небольшой уровень активации C3. Такая активация называется холостой, потому что применять ее некуда. Рядом плавают другие белковые молекулы, которые отлавливают такие активные кусочки и деактивируют их, чтобы они ничему не навредили в ситуации, когда воевать им не с кем, а они – молекулы весьма воинственные.

    Чем занимается C3a — мы скажем позже, а пока что все наше внимание будет приковано к судьбе C3b.

    Компонент C3b относится к классу молекул, которые называются опсонинами. Опсонины способны прочно связываться с поверхностями микроорганизмов и делать их «вкусными» для хищников, отсюда и такое название. Опсонины производят опсонизацию микроорганизмов для дальнейшего их фагоцитоза (т.е. захвата и переваривания). Опсонизация — это превращение клеток-мишеней во «вкусные» клетки для макрофагов, убивающих клетки мишени. То есть молекула комплемента подползает к клетке-мишени (например к патогенной бактерии), приклеивается к ней, после чего эта бактерия становится «вкусно-пахнущей» для клеток иммунной системы, которые приходят и пожирают ее.

    Теперь представим себе ситуацию, при которой на пути С3b, возникшей в процессе холостой активации, попадается патоген. Тогда С3b усаживается на поверхность бактериальной клетки-мишени, после чего запускается каскад событий. Сидящий на поверхности клетки С3b создает такие условия, что к нему притягивается компонент B и присоединяется к нему (происходит это только в присутствии ионов магния). В результате на поверхности бактерии теперь образуется белковый комплекс C3b/B.

    Комплекс C3b/B в свою очередь создает условия для того, чтобы к нему притянулся еще один компонент комплемента — D. Компонент D является протеазой, то есть он разрезает на части протеины, и этот D прикрепляется к B и расщепляет его на две части: Ва и Bb. Пока компонент B свободно плавает в плазме крови, D не обращает на него внимания.

    После того, как В становится разрезанным на две части, часть Ba просто уходит в сторону, и на поверхности бактерии остается комплекс C3b/Bb. Итак, к этому моменту оба компонента – и С3, и В оказываются разделенными на две части, причем первые уходят, а вторые и образуют комплекс C3b/Bb.

    Дальше происходит нечто неожиданное. Мы могли бы ожидать, что комплекс C3b/Bb, образовавшийся на поверхности патогена, начнет на него атаку, но он занимается совершенно другим делом – он выполняет функцию С3-конвертазы. Что это значит? Это значит, что он является сильнейшим инструментом расщепления С3 на С3a и С3b. Одна молекула C3-конвертазы расщепляет сотни молекул C3! Так что, как только образуются C3b/Bb, так процесс расщепления С3 начинает идти лавинообразно.

    Важная особенность комплекса C3b/Bb состоит в том, что он совсем непрочный (и в этом есть глубокий смысл, но об этом позже). И прежде, чем он продолжит свою работу дальше, его необходимо стабилизировать. Этим занимается еще один компонент комплемента, обозначаемый латинской буквой «P». По-русски он называется, увы, «пропердин». Итак, пропердин стабилизирует C3b/Bb.

    А в это время, в результате массового расщепления С3, в этом регионе появляется множество С3b, которые успевают добраться до стабилизированного C3b/Bb и связываются с ним, в результате чего возникает тройственный союз: C3b/Bb/С3b. Этот комплекс тоже обладает очень важной активностью: он захватывает плавающие рядом факторы С5, и опять-таки расщепляет их на C5a и C5b.

    Начиная с этого момента, бактерия уже слышит похоронный марш.

    Мы видим, что и С3, и В, и С5 сначала должны быть разбитыми на две части, чтобы начать активную работу. Принцип этот вполне понятен, и смысл его очевиден.

    Итак, наш каскад реакций дошел до момента, когда появился комплекс, который способен разбить С5 на С5a и С5b. Теперь посмотрим, что делает C5a. C5a – это довольно сильный медиатор воспалительной реакции. Между прочим, оставшийся у нас в стороне компонент C3a — тоже медиатор воспалительной реакции. И вот эта пара медиаторов начинает выполнять свою работу — вызывать воспалительную реакцию. Фактически, осуществляется целая система мер для привлечения на поле битвы серьезных игроков. Во-первых, медиаторы воспаления вызывают приток лейкоцитов в очаг воспаления. Во-вторых, они заставляют знакомые нам тучные клетки выбрасывать в кровь не менее знакомый нам гистамин, который, как мы уже знаем, вызывает спазм гладких мышц, расширяет капилляры и увеличивает проницаемость их стенок, что приводит к отекам окружающих тканей, ведь вода из крови начинает активнее выходить в ткань через стенки капилляров, а сама кровь при этом немного сгущается.

    Но молекулы комплемента на этом этапе не прекращают свою работу. Более того, они только приступают к самой активной фазе. Итак, комплекс C3b/Bb/С3b расщепляет С5 на С5a и С5b, и именно с появления C5b начинается формирование главного мембраноатакующего комплекса, вызывающего перфорацию (продырявливание) мембраны патогенной бактерии. Сначала C5b прицепляется к мембране бактерии. Затем к ней спешат присоединиться новые факторы — сначала С6, а поверх него и С7. Образуется комплекс C5b/C6/C7, который уже не просто сидит на поверхности мембраны, но и встраивается в нее. Далее к ним присоединяется C8b. Потом все они облепляются еще и целой группой молекул С9. И вот эти 10-16 молекул С9, облепившие этот таран, встроенный в мембрану, образуют мембрано-атакующий комплекс (МАК) — C5b/C6/C7/C8b/С9, а затем полимеризуются, то есть необратимо застывают прочным кольцом. В стенке бактерии возникает огромная пора диаметром 10 нм., и на этом всё.

    С такой дырой в мембране, особенно если их несколько, бактерия не способна поддерживать в себе нужный баланс химических веществ, и умирает (лизируется) – происходит ее осмотический лизис («лизис» — это растворение клеток и их систем, в том числе микроорганизмов, под влиянием различных агентов, например ферментов, бактериолизинов, бактериофагов, антибиотиков). Затем приходят макрофаги и поглощают то, что осталось.

    Это всё касается так называемого «альтернативного» пути. Классический и лектиновый пути сходны друг с другом и отличаются от альтернативного лишь способом активации C3. Сейчас нет смысла углубляться в детали этих путей. Я даже не уверен, что тебе захочется выучить этапы описанного выше альтернативного пути:), да в общем в этом и нет необходимости. Главное – в общих чертах представлять себе этот процесс, а при необходимости можно сюда заглянуть и вспомнить детали.

    Зачем нужны целых три пути? Да затем же, зачем нужно три фонарика глубоководному дайверу: не сработает один — сработают другие. На самом деле, бывает и такое, что все три пути не срабатывают, ведь бактерии быстро мутируют и вырабатывают пути обхода иммунной защиты. В таком случае в дело вступят уже более точечно бьющие орудия — клетки приобретенного иммунитета, Т-клетки: Т-хелперы и Т-киллеры, но чтобы в нашем организме выросли и обучились нужные Т-клетки, требуется время: 4-5 дней. Все это время с инфекцией, как могут, борются системы комплемента и другие средства врожденного иммунитета. Подробнее мы будем это изучать в разделе №9 «Иммунология».

    Остался нерассмотренным один важный момент. В результате холостой активации С3 постоянно образуются небольшие количества C3a и C3b — это необходимо, чтобы в любой момент времени быть готовым немедленно запустить весь каскад реакций и атаковать появившуюся вредную бактерию. Но C3a и C3b не очень разборчивы, это ведь в конце концов довольно простой, а значит не очень точно нацеленный механизм, значит надо собственные клетки организма как-то защищать от C3a и C3b? Надо. Для этого существуют так называемые «регуляторные белки системы комплемента».

    Например, это C4-связывающий белок — C4BP (C4-Binding Protein). Он связывает С4 и не позволяет ему образовать С3-конвертазу C4b/C2a (это главная C3-конвертаза классического и лектинового путей). Это еще и факторы H и I – они работают как инактиваторы С3-конвертаз. Регуляторные белки должны иметь возможность вовремя вмешиваться в процесс возникновения С3-конвертаз и устранять угрозу поражения собственных здоровых клеток организма.

    Чтобы не терять биохимической хватки, выучим еще одну карбоновую кислоту: янтарную. Янтарная кислота удивительно симметрична, как капля янтаря, и запомнить ее проще простого:

    Две её метиленовые группы (СН2) обладают высокой реакционной способностью за счет влияния соседних карбоксильных групп (не будем сейчас вдаваться в подробности этого механизма). Что для нас важно, так это то, что производные янтарной кислоты конденсируются с кетонами и с альдегидами. С альдегидами мы уже знакомы, а с кетонами познакомимся в следующей главе. Янтарную кислоту широко используют для синтеза красителей, инсектицидов (препаратов, предназначенных для уничтожения насекомых) и лекарств. И с ароматическими соединениями янтарная кислота легко вступает в реакции. В общем – это активный игрок на биохимическом поле, и она нам еще не раз пригодится в будущем.